Vol. 69, No. 3, March 2019, pp. 283∼289 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.69.283
Feasibility Study on the Total Ionizing Dose Effect of the Alice Pixel Detector(ALPIDE) and the Korea Multi-Purpose Accelerator
Complex(KOMAC)
Jongsik Eum
∗· Minjae Kwon · Sanghyeon Lee · Jihye Song · In-Kwon Yoo
†Department of Physics, Pusan National University, Busan 46241, Korea (Received 28 January 2019 : revised 7 February 2019 : accepted 11 February 2019)
The ALPIDE (ALICE Pixel Detector) is a silicon pixel detector based on Complementary Metal- Oxide Semiconductor(CMOS) Monolithic Active Pixel Sensor(MAPS) technology to be used for the upgrade of the Inner Tracking System (ITS) in ALICE(A Large Ion Collider Experiment) during its long shutdown 2 (LS2, 2019-2020). The Total Ionizing Dose (TID) effect is one of the radiation hardness tests for any device affected by ionizing energy loss processes. To use the proton beam provided by KOMAC (KOrea Multi-Purpose Accelerator Complex) to study the TID effect, we performed a feasibility study with 20-MeV proton beam with a flux of 1014/cm2s. Because the flux is too high for direct irradiation of ALPIDE, secondary protons scattered by a Au foil are used to reduce the beam flux. Faraday cups are used to monitor the beam flux, and the radiation doses are extracted by comparing the data measured in two different types of Faraday cups with the results of Geant4 simulations. The ALPIDE is gradually irradiated in 34 steps, and the linearity of the Digital-to-Analogue Convertor(DAC) and the charge threshold are measured at each step. Based on these results, we discuss the feasibility of using the proton beam at KOMAC to study the TID effect on silicon sensors.
PACS numbers: 07.77.Ka
Keywords: Nuclear Physics, Radiation Hardness, CMOS MAPS
20 MeV 양성자 빔을 이용한 ALPIDE(ALICE Pixel Detector)의 총 이온화 선량 효과 측정가능성 연구
엄종식
∗· 권민재 · 이상현 · 송지혜 · 유인권
†부산대학교 물리학과, 부산 46241, 대한민국
(2019년 1월 28일 받음, 2019년 2월 7일 수정본 받음, 2019년 2월 11일 게재 확정)
ALPIDE는 거대-이온-충돌기-실험 (A Large Ion Collider Experment, ALICE) 에서 내부 궤적 장치 (Inner Tracking System, ITS) 업그레이드를 위하여 단일형 활성 실리콘 픽셀 센서 (Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS) 기술을 기반으로 새롭게 개발된 첨단 실리콘 픽셀검출기이다. 본 연구에서는 경주 양성자 가속기에서 ALPIDE의 방사선 내구성 테스트를 위한 총 이온화 선량 (Total Ionizing Dose, TID) 효과 연구가 가능할 것인지를 타진하였다. 이를 위해 20 MeV 양성자 펄스 (pulse) 빔을 사용하였으며, 선량을 낮추기 위해 금박으로 산란된 빔을 사용하였다. 패러데이 컵 (Faraday cup) 을 이용하여 산란된
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실험을 통하여 ALPIDE에 들어가는 흡수선량을 보정하고 측정 데이터를 분석하여 TID 효과가 ALPIDE 회로에 미친 영향을 측정하였다. 이 결과를 바탕으로 경주 양성자 가속기의 TID 효과 측정가능성에 대해 논의하였다.
PACS numbers: 07.77.Ka
Keywords: 핵물리, 검출기, MAPS, 방사선 내구성
I. 서 론
거대-이온-충돌기-실험 (A Large Ion Collider Exper- ment, ALICE)에서는 새로운 내부 궤적 장치(Inner Track- ing System, ITS) 로의 업그레이드를 진행하고 있다. 이를 위하여 단일형 활성 실리콘 픽셀 센서 (Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS) 기술을 기반으로 하는 ALICE 픽 셀 검출기 (ALICE Pixel Detector, ALPIDE) 를 개발하였 다 [1]. MAPS 기술은 하전 입자를 검출하는 센서(sensor) 와 신호 처리 회로를 하나의 단일 장치로 제작하는 것을 말하며 이를 통해 높은 픽셀 집적도 및 내부 검출기에 중요 하게 요구되는 낮은 물질량(material budget)을 획득할 수 있다.
ALPIDE는 Fig.1(a)와 같이 3 cm× 1.5 cm의 크기를 가 지며 그 두께는 내부 원통과 외부 원통에 대하여 각각 50 µm 및 100 µm 이다. 캐리어 보드 (carrier board) 아래쪽에는 PCI 인터페이스 (interface) 가 있어서 데이터 수집 보드와 연결할 수 있다. ALPIDE의 구조는 Fig.1(b)와 같이 1024
× 512의 픽셀을 가지며 주변부는 전원 공급, 데이터 전송 및 제어를 담당하는 부분으로 구성되어 있다. Fig. 1(c) 와 같이 각 픽셀 위에는 픽셀 내부 회로(In-Pixel Circuitry)가 존재하며 센서로부터 나오는 신호를 처리한다. 픽셀 내부 회로에는 테스트 펄스 주입용 축전기가 있으며 이를 이용 하여 픽셀 내부 회로를 테스트 할 수 있다.
새로운 ITS는 총 7개의 ALPIDE 층으로 구성되어 있으 며 빔 파이프를 기준으로 반지름 방향으로 22.4 mm에서 400 mm에 걸쳐서 존재한다. 빔 파이프로 부터 가장 가 까운 3개의 ALPIDE 층을 내부 원통 (inner barrel) 이라고 하며 나머지 4개의 ALPIDE 층은 외부 원통(outer barrel) 으로 구분한다. 이때 요구되는 방사선 내구성 (radiation hardness) 은 내부 원통 기준으로 6년 동안 총 이온화 선 량 (Total Ionizing Dose, TID) 으로 2700 krad이고 중성 입자에 의한 비이온화에너지 손실(Non-Ionisation Energy Loss)은 1.7× 1013·1 MeV neq/cm2를 받을것으로 예상된
∗E-mail: [email protected]
†E-mail: [email protected]
Fig. 1. (Color online) ALICE PIxel DEtector(ALPIDE).
(a) A carrier board with ALPIDE, (b) The pixel matrix of ALPIDE, and (c) A cross-section view of 2×2 pixels.
Each pixel has an in-pixel circuitry which processes the signal of the pixel sensor.
다 [2]. 따라서 ALPIDE의 방사선 내구성에 대한 연구는 아주 중요하다.
TID 효과를 측정하기 위해서는 양성자 빔 혹은 X선 발 생기를 이용하여 ALPIDE에 빔을 조사한 후 흡수선량을 변화시켜가며 그 효과의 누적 변화를 측정해야 한다. 경주 에 위치한 한국 원자력 연구원의 양성자 가속기 연구센터 (KOrea Multi-Purpose Accelerator Complex, KOMAC) 에서는 20 MeV 및 100 MeV의 양성자빔을 제공한다. 본 연구에서는 KOMAC에서 제공하는 양성자빔을 이용하여 ALPIDE의 TID 효과에 대한 측정가능성을 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
II. 본 론
Fig. 2. (Color online) Experimental setup at 20 MeV beam line (TR23) in KOMAC. Two Al-collimators(DIA:
5 cm, 5mm thick) are used to collimate the beam and an Au-foil is placed downstream at the back side of colli- mator2 to scatter the beam. A detector mount (5 mm thick) is located mostly downstream and its vertical po- sition in x-axis is set to 7 cm apart from the beam line.
In the detector mount, the ALPIDE chip and its DAQ board are installed at the center of detector mount just behind a mylar window and other electronic parts are well shielded by the mount.
1. 실험 셋업
경주 양성자 가속기 연구소에서는 각각 20 MeV와 100 MeV의 양성자를 제공한다. 본 실험에서 사용한 빔 조건은 최대전류 0.1 mA이고 빔 펄스 폭은 100 µs이며, 실험이 이루어진 빔 윈도우로부터 약 1 m 떨어진 위치에서의 빔 사이즈는 1.5 cm × 7 cm이다. 이를 기준으로 계산하면 빔 플럭스는 약 1014/cm2s이다. ALPIDE 검출기에 너무 많은 양성자가 한번에 들어갈 경우, 센서에 가해질 과부하를 방 지하기 위한 검출기 보호회로가 작동하여 검출기에 공급되 는 전원이 차단된다. TID 효과를 측정하기 위해서는 픽셀 내부 회로에 전원이 공급되어야 하므로 빔 플럭스를 낮춰야 한다.
ALPIDE가 작동할 수 있는 빔 플럭스까지 낮추기 위해서 Fig. 2와 같이 금 박막을 이용하여 빔을 산란시켰다. 직경 5 cm의 구멍을 가지고 있는 두께 5 mm의 알루미늄 콜리 메이터를 2개 사용하였고 콜리메이터2 (Collimator2) 뒤 에는 100 µm 두께의 금 박막을 설치하였다. 검출기가 빔 중심으로부터 7 cm 떨어지도록 검출기 마운트를 설치하였 다. 금 박막에 산란되지 않고 직접 입사하는 양성자로부터 검출기 마운트를 막기 위해서 알루미늄 판을 추가로 설치 하였다. 검출기 마운트 윈도우 (Mount-Window, MW) 의 크기는 가로 2.0 cm, 세로 3.6 cm이다. 그리고 두께 6 mm 의 알루미늄을 이용한 검출기 마운트 (detector mount) 를 이용하여, ALPIDE의 데이터 수집 보드를 보호하였다.
Fig. 3. (Color online) A collimator type and a target type of the Faraday cup.
2. 흡수선량 및 운동에너지 측정
흡수선량을 측정하기 위해서는 들어온 입자의 개수와 입자의 에너지 정보가 필요하다. 들어온 입자의 개수를 측 정하기 위하여 패러데이 컵 (Faraday cup) 을 사용하였다.
패러데이 컵은 금속에 박힌 이온 때문에 전위차가 생기고 이 전위차 때문에 전류가 흐르게 된다. 이때 전류 (V/Z, V 는 전압, Z는 임피던스)는 금속에 박힌 이온의 개수에 비례 하게 되므로 이 전류를 이용하여 이온의 개수를 측정할 수 있다.
Fig.3에서 보듯이 타겟형 (targe type) 과 콜리메이터형 (collimator type) 두 가지를 이용하였다. 입사하는 빔에 타 겟형 패러데이컵을 설치하여 전하량 (∫
V(t)dt/Z) 을 직접 측정하면 입사하는 양성자의 개수를 알아낼 수 있다. 하지 만, 실험이 이루어지는 동안에는 타겟형 패러데이컵을 사용 하여 입사하는 빔을 막을 수 없으므로, 실험 전에 타겟형과 콜리메이터형 패러데이컵을 두고 동시에 측정하여 그 비율 을 알아낸 다음, 실험시에는 콜리메이터형 패러데이컵에서 측정된 전하량에 이 비율을 적용하여 통과하는 양성자의 개수를 계산하였다.
(사전실험1) 콜리메이터형 패러데이컵을 Fig. 2의 Col- limator1의 위치에, 타겟형 패러데이컵을 Fig. 2의 Colli- mator2 위치에 놓고 각각의 전하량 (Q1과 Q2) 을 동시에 측정하였다. 이로부터 비율(Q2/Q1) 0.35± 0.03을 얻었다.
이로부터 본실험에서 측정하게 될 콜리메이터형 패러데이 컵의 전하량(Q)과 Collimator2위치에 설치한 금박에 입사 하는 양성자의 개수(nAu)의 관계식을 다음과 같이 얻는다.
nAu = Q/e·Q2
Q1 = Q· (0.35 ± 0.03)/e (1)
Fig. 4. (Color online) EBT3 film (a radio-chromatic film) results on the target type Faraday cup at front of the detector mount. The Mount-Window (MW) position is indicated as a hatched black box.
Fig. 5. (Color online) Kinetic energy measurement with a wedge type phantom and an EBT3 film. (a) The setup of the wedge. An EBT3 film is attached on its inclined plane and (b) The result of EBT3 film. The 1st peak is at 0.254 cm, which corresponds the penetration length of 0.0670 cm and the kinetic energy of 8MeV for the proton.
[4]
(사전실험 2) 다시한번 콜리메이터형 패러데이컵을 Fig.2의 Collimator1의 위치에 그대로 놓은 채, 타겟형 패 러데이컵을 Fig. 2의 Mount-Window 위치에 놓고 각각의 전하량(Q3과 Q4)을 동시에 측정하였다. 이때 비율(Q4/Q3
= 0.15± 0.04)을 얻었다.
(사전실험3) 또한 Mount-Window의 크기 (2 cm × 3.6 cm) 는 타겟형 패러데이컵의 크기 (10 cm × 9.5 cm)와 다 르므로, 타겟형 패러데이컵에 EBT3 필름 [3]을 씌우고 입 사하는 양성자의 분포를 측정하였다 (Fig. 4). 이 양성자 분포로부터 Mount-Window 영역 (Fig. 4의 hatched black box) 에 입사하는 양성자의 비율 (area ratio = 0.05820) 을 도출하였다.
limator1 위치에 설치된 콜리메이터형 패러데이컵에서 측 정된 전하량 (Q)의 관계식을 얻는다.
nMW = Q/e· Q4
Q3 · (area ratio)
= Q· (0.15 ± 0.04) · 0.05820/e
= Q· (0.009 ± 0.002)/e (2)
하지만 실제 본실험에서 ALPIDE 센서는 Fig.2에서와 같 이 Mount-Window 뒤쪽 2.5 cm에 설치되므로, nMW를 실 험에 직접 사용할 수 없다. 대신 Geant4 모의실험을 수행하 여, nAu와 nMW의 비율을 재현한 후, 이때 실제 ALPIDE 의 위치에 입사하는 양성자 개수를 산출하였다.
(사전실험4) Mount-Window 로 입사하는 양성자의 운 동에너지를 측정하기 위하여 쐐기형 아크릴을 이용하였다.
Fig.5(a)와 같이 쐐기(wedge)의 빗면에 EBT3필름을 붙이 면, 필름상의 위치에 따라 양성자의 투과 길이(penetration length) 가 달라진다. 이후 양성자를 조사시킨 EBT3 필름 을 꼭지점 (d = 0) 에서부터 스캔한 결과는 Fig.5(b) 와 같 다. d = 0.254 cm에서 브래그 피크(Bragg peak)가 생기는 것을 알 수 있으며, 이때 실제 양성자의 투과거리는 0.254 cm· cos74◦ = 0.0670 cm가 된다. 이 비정으로부터 입사하 는 양성자의 운동에너지 8 MeV를 얻는다 [4].
3. Geant4 모의실험을 통한 흡수선량 보정
검출기의 구조 및 배치는 Fig.2를 참고하여 똑같게 구현 하였고 양성자는 빔윈도우에서 수직으로 인출되도록 설 정하였다. 빔 윈도우에서 인출된 양성자는 빔윈도우와 Collimator1로 진행하면서 공기와 상호작용하도록 하였 으며, 초기 운동에너지는 17 MeV로 설정하여 검출기 마 운트윈도우 (Mount-Window) 위치에서 측정된 8 MeV와 같은 값을 가질 수 있도록 하였다. Table1은 KOMAC에서 패러데이컵을 이용해서 측정한 값과 모의실험을 통해서 얻 은 값을 비교한 표이다. KOMAC 측정값의 오차는 패러데 이컵의 보정과정 중에 나온 결과이고, 모의실험의 결과값은 통계오차만 포함하였다. Table 1와 같이 금박에 들어오는 양성자수에 대한 검출기 마운트윈도우에 들어오는 양성자 수의 비율(nMW/nAu)의 측정값과 모의실험값이 오차범위 내에서 서로 같게되는 Geant4 모의실험을 성공적으로 수행 하였으며, 이로부터 결과적으로 ALPIDE/nMW의 비율을 도출하였다.
Table 1. Comparison between measurement and simula- tion.
Type nMW/nAu ALPIDE/nMW
KOMAC 2.5+0.98−0.90% None
Simulation 2.80± 0.05 % 53.71± 0.02%
Fig. 6. (Color online) Flux profile at the Au-foil. (a) EBT3 results measured in front of collimator2 during the beam test, (b) The simulated result at the Au-foil, and (c) The relative difference.
이와 더불어 모의실험이 실제 실험을 잘 반영하는지 확인 하기 위하여, 금박에 들어가는 양성자 빔 프로파일에 대해서 측정결과와 모의실험결과를 서로 비교하였다.
Fig. 6의 (a) 는 실험 (EBT3 필름) 을 통하여, (b) 는 Geant4 시뮬레이션을 통해서 얻은 결과이다. 각 히스토 그램은 금박에 입사하는 양성자 빔의 프로파일을 입사한 전 체 양성자 개수로 정규화하여 백분율(%)로 나타낸 값이다.
(c) 는 (a)(a)−(b)로 (a) 와 (b), 두 히스토그램의 차이를 구한 다음 (a) 히스토그램의 각 도수로 나누어 상대적 차이를 백 분율 (%) 로 나타내었다. (c) 를 통하여 (a) 와 (b) 의 경향이 주요영역에서 약 20%의 오차 내에서 비슷하며, 이 차이는 ALPIDE의 TID 효과 실험결과 (II 4) 에서 흡수선량의 시 스템오차로 활용되었다.
4. 실험 결과
실험에서 측정한 값들을 이용하여 검출기 마운트 윈도우 (MW)에 입사하는 양성자 개수, nMW(식 (2))를 얻은 다음 모의 실험에서 얻은 비율 (ALPIDE/nMW) 을 곱하여 최종
Fig. 7. (Color online) DAC linearity test results. (a) Baseline (Voltage) shift of signal with varying VCASN- input and (b) Amplification factor (Current) with vary- ing ITHR DAC inputs. Black and red circles indicate before and after the irradiation, respectively.
적으로 ALPIDE 검출기에 입사하는 양성자수를 얻었다. 이 렇게 구한 검출기의 총 누적흡수선량은 344.8± 22.9 krad 이었다. 총 34번의 순차적인 양성자 조사를 통하여 다음의 내구성을 측정하였다.
디지털-아날로그 변환 (DAC) 선형성 측정: 먼저 픽셀 내부회로를 제어하기 위하여 사용하는 디지털-아날로그 변 환기 (Digital-to-Analogue Convertor, DAC) 의 선형성을 테스트하였다.
Fig.7상단의 그래프는 조사 전/후의 DAC 결과를 같이 그린 그래프이며 하단의 그래프는 조사 전/후의 측정값의 차이를 나타낸 그래프이다. VCASN는 센서로 부터 들어오 는 신호의 기준선 (baseline) 을 이동시키며, ITHR-DAC는 신호의 증폭률을 변경하는 DAC들로서 전하문턱값(charge threshold) 을 변화시킨다. 이 방사선을 조사시킨 전후에 입력신호들의 선형성이 그대로 보존되는 일은 ALPIDE 검 출기를 제어하는 데 필수적인 성질이며, 이때 이 선형성이 보존되는 VCASN 및 ITHR-DAC 입력값의 영역이 최대한 확보돼야 한다. Fig. 7의 비교 (하단) 를 통하여 조사 전/
후 DAC은 서로 차이가 없으며, DAC(VCASN, ITHR) 의 선형성에 영향이 없는것을 확인하였다. 이것은 체코 Rez의 양성자 빔을 이용하여 수행된 유사 실험에서도 확인된 바 있다 [5].
전하문턱값과 노이즈값의 변화 측정: 픽셀 내부 회로는 테스트 펄스 주입용 축전기를 이용하여 인위적으로 회로로 들어가는 신호를 생성할 수 있으며, 그 전하량은 DAC를 이 용하여 제어가 가능하다. DAC를 이용하여 전하량이 다른 테스트 펄스를 픽셀 내부 회로로 넣어준 후, 픽셀 내부 회로 에서 처리된 데이터를 읽으면, 테스트 펄스가 전하문턱값을 넘었는지를 확인할 수 있다. 이 과정을 각 신호 크기마다 50번씩 반복한다. 매번 측정을 통해 얻은 그래프의 개형은 Fig.8과 같으며 에러 함수 (error function) 로 피팅을 진행
Fig. 8. (Color online) An example of the charge threshold measurement in ALPIDE [6].
Fig. 9. (Color online) The results of charge threshold and its noise as a function of the absorption dose.
하였다. 피팅이 완료된 후에는 피팅함수로부터 전하문턱값 과 노이즈 (noise) 값을 측정했다.
Fig.9는 흡수선량에 따라 Fig.8에서 얻은 전하문턱값 및 그 노이즈 값이 변화하는 결과를 나타낸 그래프이다. 전하 문턱값의 경우 30 krad까지는 증가하다가, 다시 감소하는 경향을 보인다. 전하 문턱값의 노이즈의 경우 흡수선량이 증가함에 따라 계속해서 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
III. 요약 및 결론
본 연구에서는 ALICE 내부 궤적 장치 업그레이드를 위 하여 개발 완료된 ALPIDE 검출기를 이용하여 경주 양성자 가속기 연구소에서 제공하는 양성자빔을 이용한 총 이온화 선량 효과 측정가능성 연구를 수행하였다. 금박을 이용하 여 양성자 빔을 산란시키고, 검출기를 빔 중심으로부터 7 cm 이동시켜 기존 양성자빔 선속 대비 40배 감소한 산란 된 양성자의 선속을 얻을 수 있었다. 칩에 입사한 정확한 양성자 흡수선량을 구하기 위하여, 빔라인의 패러데이컵과 금박을 통해 산란된 입사영역의 패러데이컵의 전류량 비 율을 GEANT4 모의 실험을 통해 재현하였다. 결론적으로 344.8± 22.9 krad까지 총 누적 흡수 선량을 검출기에 조사 하였으며, 그 결과 ALPIDE의 내부 픽셀 회로를 제어하는 DAC의 선형성은 유지되는 것을 확인하였고, 전하 문턱값 및 노이즈값은 흡수선량에 따라 변화하는것을 확인하였다.
이는 해외의 다른 빔라인에서도 확인된 측정 결과이며, 이를 통해 KOMAC의 양성자 빔라인의 산란 양성자를 이용하여 검출기의 총 이온화 선량효과 측정이 가능함을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 한국원자력연구원 양성자가속기연구센터의 시설을 이용하였으며, 부산대학교 기본연구지원사업 (2년, 2017.03 - 2019.02)의 연구비 지원에 의해 이루어졌습니다.
REFERENCES
[1] B. Abelev et al. (the ALICE Collaboration), J. Phys.
G: Nuclear Part. Phys. 41, 8, 087002 (2014).
[2] G. A. Rinella (the ALICE Collaboration), Nucl. In- strum. Methods Phys Res. A 845, 583 (2017).
[3] GafchromicTM, EBT Specification and user guide, March 20, 2019.
[4] User Support Team, KOMAC Experiment Report No. 2017-1-P-S-0011, 2017.
[5] H. Hillemanns, Radiation Hardness of Monolithic Ac- tive Pixel Sensors and Readout Electronics for the ALICE Inner Tracking System Upgrade, Radiation effects at the LHC experiments and impact on oper- ation and performance, 2018
[6] P. Yang, G. Aglieri, C. Cavicchioli, P. L. Chalmet and N. Chanlek et al., Nucl. Instrum. Methods Phys
Res. A 785, 61 (2015).
